Регуляция генов у эукариот протекает намного сложнее. Различные типы клеток многоклеточного эукариотического организма синтезируют ряд одинаковых белков и в то же время они отличаются друг от друга набором белков, специфичных для клеток данного типа. Уровень продукции зависит от типа клеток, а также от стадии развития организма. Регуляция экспрессии генов осуществляется на уровне клетки и на уровне организма.
Гены эукариотических клеток делятся на два основных вида: первый определяет универсальность клеточных функций, второй – детерминирует (определяет) специализированные клеточные функции. Функции генов первой группы проявляются во всех клетках. Для осуществления дифференцированных функций специализированные клетки должны экспрессировать определенный набор генов.
Хромосомы, гены и опероны эукариотических клеток имеют ряд структурно-функциональных особенностей, что объясняет сложность экспрессии генов.
1. Опероны эукариотических клеток имеют несколько генов - регуляторов, которые могут располагаться в разных хромосомах.
2. Структурные гены, контролирующие синтез ферментов одного биохимического процесса, могут быть сосредоточены в нескольких оперонах, расположенных не только в одной молекуле ДНК, но и в нескольких.
3. Сложная последовательность молекулы ДНК. Имеются информативные и неинформативные участки, уникальные и многократно повторяющиеся информативные последовательности нуклеотидов.
4. Эукариотические гены состоят из экзонов и интронов, причем созревание и-РНК сопровождается вырезанием интронов из соответствующих первичных РНК-транскриптов (про-и-РНК), т. е. сплайсингом.
5. Процесс транскрипции генов зависит от состояния хроматина. Локальная компактизация ДНК полностью блокирует синтез РНК.
6. Транскрипция в эукариотических клетках не всегда сопряжена с трансляцией. Синтезированная и-РНК может длительное время сохраняться в виде информосом. Транскрипция и трансляция происходят в разных компартментах.
7. Некоторые гены эукариот имеют непостоянную локализацию (лабильные гены или транспозоны).
8. Методы молекулярной биологии выявили тормозящее действие белков-гистонов на синтез и-РНК.
9. В процессе развития и дифференцировки органов активность генов зависит от гормонов, циркулирующих в организме и вызывающих специфические реакции в определенных клетках. У млекопитающих важное значение имеет действие половых гормонов.
10. У эукариот на каждом этапе онтогенеза экспрессировано 5-10% генов, остальные должны быть заблокированы.
20. Генная инженерия и биотехнологии
Биотехноло́гия — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.
Генетическая инжене́рия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе для медицины и ветеринарии, а также принципиально новых технологиях. Целью биотехнологии являются получение продуктов из биологических объектов или с их применением, а также воспроизводство биоэффектов, не встречающихся в природе. В качестве биологических объектов чаще всего используются одноклеточные микроорганизмы, животные и растительные клетки, а также организм животных, человека или растений, так как вещества, синтезируемые этими организмами, недоступны пока человеку без использования биотехнологий.
Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 мин, дрожжевая - через 1,5-2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток.
Помимо микроорганизмов, животных и растительных клеток, биотехнология в качестве биологических объектов использует органы и ткани человека и животных, растения, организм животных и человека. Например, для получения инсулина используется поджелудочная железа крупного рогатого скота и свиней, гормона роста - гипофизы трупов человека, иммуноглобулинов - организм лошадей и других животных, препаратов крови - кровь доноров и т.д.
Помимо этого биотехнология играет большую роль в оздоровлении окружающей среды: с помощью биотехнологических процессов проводят очистку от загрязняющих веществ почвы, водоемов, воздушной среды путем их биоконверсии и биодеградации.
Из бактерий в биотехнологии чаще всего используют род Acetobacter - для превращение этанола в уксусную кислоту, углекислый газ и воду; род Bacillus - для получения ферментов (B. subtilis), средств защиты растений (B. thuringiensis); род Clostridium - для сбраживания Сахаров в ацетон, этанол, бутанол; молочнокислые бактерии (Lactobacillus и др.); псевдомонады, например РР. denitrificans, - для получения витамина В12; Corynebacterium gentamicum - для получения аминокислот и др.
Из грибов в биотехнологии для получения разнообразных антибиотиков применяют род Streptomyces, Peniciliumchrysogenium, Cefalosporumacremonium, Streptomycesspp. и др.
Естественно, широкое применение в получении диагностикумов, вакцин, иммуноглобулинов, пробиотиков, фагов и других микробных препаратов находят патогенные и вакцинные штаммы болезнетворных микробов, а также условно-патогенные микроорганизмы.
Генетическая инженерия является сердцевиной биотехнологии. Она по существу сводится к генетической рекомбинации, т.е. обмену генами между двумя хромосомами, которая приводит к возникновению клеток или организмов с двумя и более наследственными детерминантами (генами), по которым родители различались между собой.
Экспрессируемый ген в виде рекомбинатной ДНК (плазмида, фаг, вирусная ДНК) встраивается в бактериальную или животную клетку, которая приобретает новое свойство - продуцировать несвойственное этой клетке вещество, кодируемое экспрессируемым геном.
В качестве реципиентов экспрессируемого гена чаще всего используют E. coli, B. subtilis, псевдомонады, нетифоидныесеровары сальмонелл, дрожжи, вирусы.
Методом генной инженерии созданы сотни препаратов медицинского и ветеринарного назначения, получены рекомбинантные штаммы-суперпродуценты, многие из которых нашли практическое применение. Уже используются в медицине полученные методом генной инженерии вакцины против гепатитаВ, интерлейкины-1, 2, 3, 6, инсулин, гормоны роста, интерфероны α, β, γ, фактор некроза опухолей, пептиды тимуса, миелопептиды, тканевый активатор плазминогена, эритропоэтин, антигены ВИЧ, фактор свертывания крови, моноклональные антитела и многие антигены для диагностических целей.
21. Временная организация клетки. Клточный цикл, его возможные направления и периодизация.
Время существования клетки от ее образования до следующего деления или смерти называют жизненным циклом клетки (ЖЦК). В ЖЦК эукариотических клеток многоклеточного организма можно выделить несколько периодов (фаз), каждый из которых характеризуется определенными морфологическими и функциональными особенностями:
- фаза размножения и роста
- фаза дифференцировки
- фаза нормальной активности
- фаза старения и смерти клетки.
В жизненном цикле клетки можно также выделить митотический цикл, включающий подготовку клетки к делению и само деление.
Основные принципы организации ЖЦК:
1. Продолжительность клеточного цикла различна в зависимости от типа клеток.
2. В нормальных клетках каждая стадия клеточного цикла зависит от правильного завершения предыдущей стадии(осуществляют ферментативные и белковые системы клеток)..
3. Усиление дифференцировки клеток сопровождается снижением их митотической активности.
Митоз – способ деления генетически и морфологически неизмененных клеток..
1. Постмитотический (пресинтетический) период характеризуется ростом клетки, увеличением ее объема. В этой стадии следует выделить два взаимосвязанных явления:
- усиление процессов обмена веществ
- увеличение количества органоидов клетки
Варианты перехода в следующие стадии клеточного цикла:
1. Клетка вступает в митотический цикл, обязательным условием которого является репликация ДНК. Начинается синтетический период интерфазы.
2. Клетка прекращает рост и переходит в фазу дифференцировки и нормальной активности.
По степени специализации клетки можно разделить на недифференцированные и дифференцированные. Но только дифференцированные клетки могут полноценно выполнять свои функции. Поэтому любое нарушение дифференцировки приводит к нарушению или не выполнению.
Нормальное функционирование в составе органа – это основной период жизненного цикла клеток. Но неизбежным завершением ЖЦК является переход в фазу старения и гибели
Синтетический период (S-период)
Основной особенностью периода является репликация ДНК. Процесс репликации требует совместного действия многих белков:
1) ДНК-геликаза 2) дестабилизирующие белки (SSB – белки3)ДНК-полимераза 4)ДНК-лигазы 5) ДНК-топоизомеразы
Основное значение репликации ДНК – удвоение наследственной информации, которая в последующем митозе будет равномерно распределена между дочерними клетками.
Механизмы контроля репликации стабильности ДНК.
1. Ферментативный контроль осуществляет ДНК-полимераза.
2. Репаративный контроль осуществляется особыми ферментативными системами на всех стадиях ЖЦК.
После полного завершения репликации и проверки правильности удвоения ДНК клетка переходит в следующий период – постсинтетический (премитотический, G2)
Особенности постсинтетического периода:
- накопление АТФ
- образование белков веретена деления
- синтез в клетке М-стимулирующего фактора.
Митоз – непрямое деление эукариотической клетки, в результате которого образуются клетки идентичные по кариотипу и генотипу.
Кариотип – набор хромосом клетки. Генотип – совокупность генов диплоидной клетки.
Термин «Соматические мутации» - мутации связанные с нарушением наследственного аппарата диплоидных клеток. При этом уровень нарушения может быть различным: генный, хромосомный, геномный.
Регуляция митотического цикла.
Изучение механизмов регуляции митозов является одной из важнейших проблем современной биологии, поскольку митозы лежат в основе роста организмов, регенерации тканей, нарушение митотической активности – основной механизм возникновения опухолей.
В регуляции митотического цикла участвуют различные факторы, их сбалансированное взаимодействие приводит к нормальному протеканию клеточного цикла.
В регуляции периодов интерфазы принимают участие ранее упомянутые факторы: активаторы S-периода, М-стимулирующий и М-задерживающий факторы, циклины.
Старение и гибель клеток. После определенного периода нормального функционирования у клетки начинается период старения, который морфологически проявляется:
- уменьшением объема клетки
- увеличением содержания крупных лизосом
- накоплением пигментных и жировых включений
- появлением вакуолей в цитоплазме и ядре
Гибель клетки – завершающий этап клеточного цикла
При гибели клетки можно выделить два различных механизма ее развития: некроз и апоптоз.
22. Деление клетки. Понятие митотической активности. Нарушения митоза.
Деление клетки — процесс образования из родительской клетки двух и более дочерних клеток
Существует два способа деления ядра эукариотических клеток: митоз и мейоз.
Мейоз - это особый способ деления клеток, в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом вдвое. С помощью мейоза образуются гаметы. В результате редукции споры и половые клетки хромосомного набора получают в каждую гаплоидную спору и гамету по одной хромосоме из каждой пары хромосом, имеющихся в данной диплоидной клетке. В ходе дальнейшего процесса оплодотворения (слияния гамет) организм нового поколения получит опять диплоидный набор хромосом, т. е. кариотип организмов данного вида в ряду поколений остается постоянным.
Митоз —(реже: кариокинез или непрямое деление) — деление ядра эукариотической клетки с сохранением числа хромосом. В отличие от мейоза, митотическое деление протекает без осложнений в клетках любой плоидности, поскольку не включает как необходимый этап, конъюгацию, хромосом в профазе. Митоз (от греч.Mitos- нить) непрямое деление, - основной способ деления эукариотических клеток. Митоз - это деление ядра, которое приводит к образованию двух дочерних ядер, в каждом из которых имеется точно такой же набор хромосом, что и в родительском ядре. Вслед за делением ядра обычно следует деление самой клетки, поэтому часто термином - «митоз» обозначают деление клетки целиком.
МИТОТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ (наличие делящихся клеток) ткани подразделяются на пролиферирующие (где есть размножение клеток) и непролиферирующие, или дифференцированные (где клетки приобрели окончательную специализацию и утратили способность к делению). Высокую митотическую активность клеток в ткани связывают с накоплением в ней гликогена (Bullough, 1949). При понижении количества гликогена интенсивность деления клеток снижается. Л. В. Суворова (1955) нашла, что у незрело-рождающихся животных на ранних этапах постнатального развития этот эффект отсутствует. В этот период в тканях как раз преобладают процессы гликолиза и низка активность окислительных ферментов.
Нарушения митоза
Правильное течение митоза может быть нарушено различными внешними воздействиями: высокими дозами радиации, некоторыми химическими веществами. Например, под действием рентгеновых лучей ДНК хромосом может разорваться. Хромосомы в таком случае тоже разрываются. При этом могут возникнуть хромосомы без центромерного района. Такие хромосомы лишены способности двигаться в прометафазе и анафазе. В зависимости от того, в каком месте ядра бесцентромерная хромосома находилась накануне деления,будет складываться ее дальнейшая судьба. Если хромосома была смещена к одному из полюсов клетки, то при формировании дочерних клеток она может целиком включиться в одну из них, т. е. обе сестринские хроматиды окажутся в одном ядре. Одни хромосомы начинают двигаться быстрее, другие отстают. Отставшие хромосомы могут не включиться в формирующиеся дочерние ядра. Иногда в делящейся клетке образуется не два, а три или четыре полюса, что ведет к возникновению соответственно трех или четырех дочерних клеток. При таком делении нарушается весь слаженный механизм распределения хромосом. Метафазная хромосома, состоящая из двух сестринских хроматид, может взаимодействовать одновременно только с двумя полюсами. Если полюсов больше, то каждая хромосома вынуждена "выбирать", с какими двумя полюсами из трех или четырех ей взаимодействовать. Этот выбор совершается случайно. В результате каждая дочерняя клетка получает не весь набор хромосом, а только его часть. Клетки, получившие неполный набор хромосом, как правило, оказываются нежизнеспособными и погибают. Изучение нарушений митоза, вызванных различными факторами, с одной стороны, помогает лучше понять митотические процессы, с другой - позволяет устанавливать механизмы повреждающего действия этих факторов и, следовательно, создает условия для целенаправленного поиска методов устранения таких нарушений.
23. Предмет, задачи и методы генетики.
Генетика - наука об основных закономерностях наследственности и изменчивости.
Предмет генетики - изучение материальных основ наследственности (генов) на молекулярно-генетическом, субклеточном, клеточном, организменном и популяционно-видовом уровнях организации живого. Задачи генетики: изучение способов хранения генетической информации (у вирусов, бактерий, растений, животных и человека); анализ способов передачи наследственной информации от одного поколения клеток и организмов к другому; выявление механизмов и закономерностей реализации генетической информации в процессе онтогенеза и влияние на них условий среды обитания; 4) изучение закономерностей и механизмов изменчивости и ее роли в приспособлении организмов и эволюционном процессе; 5) изыскание способов исправления поврежденной генетической информации.
Первый закон Менделя - закон единообразия первого поколения. Его цитологические основы. Формулировка закона: при скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по одному альтернативному (качественному) признаку, наблюдается единообразие гибридов первого поколения по фенотипу и генотипу. Генетическая запись: Ген Признак А Желтый цвет семян а зеленый цвет семян P АА Х аа G А а F Аа – 100% по генотипу и фенотипу Этот закон универсален, так как нет условий, ограничивающих его действие
2-ой закон Менделя - закон расщепления признаков. Его цитологические основы. Статистический характер явления расщепления во 2-ом поколении. Формулировка закона: при скрещивании гетерозиготных особей, анализируемых по одному альтернативному (качественному) признаку, в первом поколении наблюдается расщепление в соотношении 3: 1 по фенотипу и 1: 2: 1 по генотипу. Генетическая запись: Р Аа Х Аа G А, а А, а F АА, Аа, Аа, аа 3: 1 по фенотипу, 1: 2: 1 по генотипу. Условия, ограничивающие действие закона: внутриаллельное взаимодействие генов, кроме полного доминирования; летальные и полулетальные гены; неравная вероятность образования гамет и зигот разных типов; плейотропное действие генов; 5. неполная пенентрантность. Плейотропия - явление, при котором ген отвечает за проявление нескольких признаков. У человека аномалия хрусталика сопровождается «паучьими пальцами» и пороками сердца. Цитологические основы II закона Менделя:
Моногибридное скрещивание
Фенотип и генотип. Моногибридным называется скрещивание, при котором родительские формы отличаются друг от друга по одной паре контрастных, альтернативных признаков.
Признак —любая особенность организма, т. е. любое отдельное его качество или свойство, по которому можно различить две особи. У растений это форма венчика (например, симметричный—асимметричный) или его окраска (пурпурный—белый), скорость созревания растений (скороспелость—позднеспелость), устойчивость или восприимчивость к заболеванию и т. д.
Совокупность всех признаков организма, начиная с внешних и кончая особенностями строения и функционирования клеток, тканей и органов, называется фенотипом. Этот термин может употребляться и по отношению к одному из альтернативных признаков.
Признаки и свойства организма проявляются под контролем наследственных факторов, т. е. генов. Совокупность всех генов организма называют генотипом.
Примерами моногибридного скрещивания, проведенного Г. Менделем, могут служить скрещивания гороха с такими хорошо заметными альтернативными признаками, как пурпурные и белые цветки, желтая и зеленая окраска незрелых плодов (бобов), гладкая и морщинистая поверхность семян, желтая и зеленая их окраска и др.
Единообразие гибридов первого поколения (первый закон Менделя). При скрещивании гороха с пурпурными и белыми цветками Мендель обнаружил, что у всех гибридных растений первого поколения (F1) цветки оказались пурпурными. При этом белая окраска цветка не проявлялась (рис. 3.1).
Мендель установил также, что все гибриды F1 оказались единообразными (однородными) по каждому из семи исследуемых им признаков.
Рис. 3.1. Схема моногибридного скрещивания: I — гомозиготные особи с доминантным признаком; 2 — гетерозиготные особи с доминантным или промежуточным признаком; 3 — гомозиготные особи с рецессивным признаком.
Следовательно, у гибридов первого поколения из пары родительских альтернативных признаков проявляется только один, а признак другого родителя как бы исчезает. Явление преобладания у гибридов F1 признаков одного из родителей Мендель назвал доминированием, а соответствующий признак — доминантным. Признаки, не проявляющиеся у гибридов F1 он назвал рецессивными.
Поскольку все гибриды первого поколения единообразны, это явление было названо К. Корренсом первым законам Менделя, или законом единообразия гибридов первого поколения, а также правилом доминирования.
В современной генетике существуют понятия менделирующие признаки (наследующиеся по законам Менделя) и неменделирующие (наследующиеся по иным законам). Менделирующих признаков у всех организмов большое число. Немало их и у человека (табл. 8 и рис. 5).
Таблица 8
